肖 濤，周新華，董藝維

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.長(zhǎng)沙天恒測(cè)控技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

隨著科技發(fā)展，生產(chǎn)力發(fā)展需求不斷提升，直流電在很多領(lǐng)域所占比重越來(lái)越大。如國(guó)家正在大力推廣的新能源軌道交通、電動(dòng)汽車(chē)、光伏系統(tǒng)，以及常見(jiàn)的地鐵索引系統(tǒng)等[1-2]。在我國(guó)，單純交流電能和單純直流電能的計(jì)量相對(duì)成熟，但是實(shí)際使用中，直流電中會(huì)包含大量的紋波，這些紋波會(huì)對(duì)單一的直流電能計(jì)量造成誤差。目前，對(duì)紋波影響下的直流電能計(jì)量則處于起步階段[3-4]。

2017年，國(guó)家施行了GB/T 33708-2017《靜止式直流電能表》[5]，其中明確了直流紋波影響試驗(yàn)的做法和誤差改變限值。具體方法是在試驗(yàn)裝置的電壓及電流輸出中加入一定量的標(biāo)準(zhǔn)交流信號(hào)，要求直流電能表測(cè)定的電能誤差不能超過(guò)其改變限值。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了可以進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)的檢定裝置[6-7]，但是并沒(méi)有一款能同時(shí)測(cè)量直流和紋波的標(biāo)準(zhǔn)表去校準(zhǔn)這類(lèi)裝置。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)以標(biāo)準(zhǔn)表法為理論依據(jù)的校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 校準(zhǔn)裝置

直流電能紋波影響試驗(yàn)裝置的校準(zhǔn)[8-9]所需要的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備有：精密交直流電壓分壓器(如TH0150，量程為10～1 000 V)，精密交直流同軸分流器(如TH0400，量程為1 mA～100 A)，單增益精密緩沖器(如TH0600)，雙路電壓矢量分析系統(tǒng)(如TH3200)。

TH0150為精密交直流電壓分壓器，可將各種量程電壓按一定的比值k1變換成1 V電壓，并保持極小相移。其工作頻率從DC～100 kHz，最大交直流差最優(yōu)為±10×10-6，最大相移最優(yōu)為±5 μrad、TH0400為精密交直流同軸分流器，可將各種量程電流按一定比值k2變換成1 V電壓，并保持極小相移。其工作頻率從DC～100 kHz，最大交直流差最優(yōu)為±20×10-6，最大相移最優(yōu)為±10 μrad。TH0600是專(zhuān)用于將高內(nèi)阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為低內(nèi)阻輸出的精密緩沖器，增益為1。采用電池供電，能夠把噪聲和干擾降低到最低水平，最大交直流差最優(yōu)為±20×10-6。

校準(zhǔn)裝置原理框圖如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)裝置原理框圖

TH3200是超高精度的雙通道電壓矢量分析系統(tǒng)，通過(guò)同步采樣技術(shù)，可同時(shí)測(cè)量并計(jì)算分析雙通道電壓幅值、頻率、相位、功率、電能等多個(gè)變量。其電壓測(cè)量范圍為0.1 mV～11 V，頻率范圍為0～100 kHz。它可以對(duì)雙路電壓進(jìn)行隔離同步采樣，并實(shí)現(xiàn)雙路電壓矢量計(jì)算。通過(guò)嵌入式軟件，輸入分壓器、分流器的比率，計(jì)算電壓、電流、功率和電能，同時(shí)能把功率轉(zhuǎn)化為脈沖輸出，方便電能表的檢定。其功率和電能最高準(zhǔn)確度達(dá)±20×10-6。以TH3200為標(biāo)準(zhǔn)表，可以對(duì)被校試驗(yàn)裝置的電壓和電流各量程進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定。被校試驗(yàn)裝置的電能傳遞函數(shù)可表示為：

(1)

式中：k1為T(mén)H0150分壓器的變比；k2為T(mén)H0400分壓器的變比；u1(t)為T(mén)H3200輸入口1測(cè)量值；u2(t)為T(mén)H3200輸入口2測(cè)量值。

本文提出的方法可以對(duì)各種直流電能紋波影響試驗(yàn)的裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。以TD1580直流電能表綜合檢測(cè)裝置為例，其輸出性能如表1所示。其中，電壓型電流(小信號(hào)電壓)適用于電壓型輸入的電流間接接入儀表，在本系統(tǒng)中歸為電壓處理。

表1 試驗(yàn)裝置輸出性能

2 校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)時(shí)，要求試驗(yàn)室的環(huán)境溫度為(20±1)℃；相對(duì)濕度為60%±15%；無(wú)外電場(chǎng)、外磁場(chǎng)影響，無(wú)離子輻射影響。被校試驗(yàn)裝置和所有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備需要通過(guò)預(yù)熱4 h以上，所有的導(dǎo)線(xiàn)采用低熱電勢(shì)測(cè)試線(xiàn)，并且盡量短，最好帶屏蔽層。

被校試驗(yàn)裝置同時(shí)帶紋波輸出，根據(jù)不同的量程選擇對(duì)應(yīng)的分壓器(TH0150)和分流器(TH0400)，得到兩個(gè)采樣電壓，將它們均經(jīng)過(guò)緩沖器(TH0600)緩沖，最后用矢量分集儀(TH3200)進(jìn)行分測(cè)量分析。根據(jù)其計(jì)數(shù)值，對(duì)被校試驗(yàn)裝置進(jìn)行功率和電能的校準(zhǔn)。電壓和電流范圍為可輸出紋波的所有量程，參比電壓、參比電流以及紋波含量參照GB/T 33708-2017《靜止式直流電能表》的要求，紋波的頻率從100～1 000 Hz取數(shù)點(diǎn)，紋波的功率因數(shù)從-1～+1取數(shù)點(diǎn)。

理論上，選取一個(gè)交叉量程檔位，即可完成直流電能紋波影響試驗(yàn)裝置電能校準(zhǔn)。

3 不確定度分析

根據(jù)GB/T 33708-2017《靜止式直流電能表》的要求，直流電能紋波影響試驗(yàn)中所涉及的紋波頻率為300 Hz，紋波含量最大不超過(guò)20%。本文中的TD1580直流電能表綜合檢測(cè)裝置，其紋波頻率為100～1 000 Hz。對(duì)于頻率較低和幅值較小的校準(zhǔn)系統(tǒng)，在選取了性能良好、長(zhǎng)度合適的線(xiàn)材后，導(dǎo)線(xiàn)對(duì)不確定度所造成的影響可以忽略不計(jì)。

本文中校準(zhǔn)方法的不確定度[10]主要來(lái)自于精密交直流電壓分壓器TH0150、精密交直流同軸分流器TH0400、單增益精密緩沖器TH0600和雙路電壓矢量分析系統(tǒng)TH3200，它們均會(huì)對(duì)幅值和相位產(chǎn)生不確定度的影響。

當(dāng)各不確定度分量獨(dú)立不相關(guān)時(shí)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按照以下公式計(jì)算：

(2)

3.1 交直流電壓分壓器

3.2 交直流同軸分流器

3.3 單增益精密緩沖器

3.4 雙路電壓矢量分析系統(tǒng)

3.5 總體不確定度

上述四個(gè)部分的不確定度分量獨(dú)立不相關(guān)，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按照式(3)計(jì)算：

(3)

計(jì)算可得本直流電能紋波影響試驗(yàn)裝置校準(zhǔn)方法的總體不確定度為：UC=52.5×10-6(k=2，ρ=95%)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

本校準(zhǔn)系統(tǒng)將分壓器和分流器參數(shù)輸入到雙路電壓矢量分析系統(tǒng)后，通過(guò)被校試驗(yàn)裝置輸出含紋波的直流電壓和電流，能夠在雙路電壓矢量分析系統(tǒng)的顯示界面上得到電流、電壓、相位和電能等信息。以此為據(jù)，可對(duì)被校試驗(yàn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。

根據(jù)GB/T 33708-2017《靜止式直流電能表》中直流紋波影響試驗(yàn)要求，在直流輸出為1 000 V、100 A以及紋波輸出200 V、20 A狀態(tài)下，紋波頻率分別取100 Hz、300 Hz、500 Hz、700 Hz、1 000 Hz，功率因數(shù)分別取1、0.5 L和0.5 C，得到校準(zhǔn)結(jié)果如表2所示。

表2 校準(zhǔn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本校準(zhǔn)系統(tǒng)的整體不確定度優(yōu)于0.01%，GB/T 33708-2017《靜止式直流電能表》所規(guī)定的電能表誤差限值為0.4%，故本校準(zhǔn)系統(tǒng)可以應(yīng)用于符合GB/T 33708-2017《靜止式直流電能表》要求的直流電能紋波影響試驗(yàn)裝置。

通過(guò)大量標(biāo)準(zhǔn)器件與高精度標(biāo)準(zhǔn)表的應(yīng)用，將直流電能紋波影響試驗(yàn)裝置的電壓和電流輸出轉(zhuǎn)化為1 V左右的電壓信號(hào)，再進(jìn)行矢量分析以標(biāo)定試驗(yàn)裝置的輸出參數(shù)。通過(guò)理論分析可知，本系統(tǒng)采用的方法，對(duì)于電壓、電流和功率計(jì)量的不確定性影響控制在0.01%以?xún)?nèi)，可以對(duì)于0.05及以下等級(jí)的直流電能試驗(yàn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。